基于知识图谱的洪水预报方法、系统、存储介质及设备

技术领域

本发明涉及一种洪水预报技术领域，特别是关于一种基于知识图谱的洪水预报方法、系统、存储介质及设备。

背景技术

在洪水预报业务中，目前大多采用中国洪水预报系统作为操作平台，其主要问题在于只能通过人工方式构建单站方案和河系方案，无法根据流域上下游关系自动创建；对河系进行洪水预报时只能逐站串行计算，无法实现并行计算；对于水流网络只能考虑汇水关系，无法考虑分水关系。

国际上比较有代表性的水文模型，比如SWAT模型，可以根据DEM自动构建河系方案，但是没法考虑分水关系；SWMM模型可以考虑分水关系，但是无法自动构建河系方案，没有实现并行计算。美国新一代国家水模式（NWM）基于高精度DEM自动生成了水流网络关系，也实现了并行计算，但无法考虑分水关系、人工交互性不足。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种基于知识图谱的洪水预报方法及系统，其能对任何复杂流域水流网络中各种行为进行模拟和预报，提升洪水预测预报能力。

为实现上述目的，第一方面，本发明采取的技术方案为：一种基于知识图谱的洪水预报方法，其包括：对复杂流域水流网络进行数字化映射，得到由点、线、面数字化映射组件构成的数字化映射图；基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，以获取包含流域、河段、节点之间上下游关系的不同尺度的洪水预报方案；对洪水预报方案中的对于不存在依赖关系的预报节点进行并行计算，从上游节点至下游节点层层递推完成全部对象的预报计算。

进一步，对复杂流域水流网络进行数字化映射，包括：

将复杂流域中的水文站、干支流汇合点映射为汇水点；

河流分叉点、河渠取水口映射为分水点；

将只有一个出口的水库、湖泊映射为调蓄汇水点；

将有两个及以上出口的水库、湖泊映射为调蓄分水点；

将河道、渠道映射为输水河段，并将产流单元映射为子流域。

进一步，基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，包括：

根据高精度数字高程模型和河流水系基础数据构建流域内由小于设定阈值面积的流域、河段、节点组成洪水预报三元组；

根据用户需求，对流域、河段、节点进行筛选，利用大流域和小流域之间不变的产汇流关系重新组合成不同尺度的洪水预报三元组，得到河系洪水预报方案。

进一步，构建的洪水预报方案中包含了流域、河段、节点之间的上下游关系，以确定哪些对象之间存在或者不存在依赖关系。

进一步，利用大流域和小流域之间不变的产汇流关系重新组合成不同尺度的洪水预报三元组，包括：

根据用户需求确定关注的节点，并从洪水预报三元组中依次寻找流向关注的节点的子流域和其他节点，并确定是否还有节点或子流域流向该其他节点，若没有则终止，反之继续寻找。

进一步，对洪水预报方案中的对于不存在依赖关系的预报节点进行并行计算，包括：

通过洪水预报三元组对预报节点进行上下游分析，逆向追溯分析得到不同节点之间的依赖关系，将没有依赖关系的节点归入能够并行计算的节点集合，将计算节点分为上游节点和下游节点；

对所有没有依赖关系的上游节点进行并行计算，上游节点计算完成后，把计算完成的上游节点对应的三元组从列表中删除，重新分析剩下的三元组列表，得到新的没有依赖关系的上游节点纳入计算；层层递推，直到计算至流域出口，以完成全部对象的预报计算。

第二方面，本发明采取的技术方案为：一种基于知识图谱的洪水预报系统，其包括：第一处理模块，对复杂流域水流网络进行数字化映射，得到由点、线、面数字化映射组件构成的数字化映射图；第二处理模块，基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，以获取包含流域、河段、节点之间上下游关系的不同尺度的洪水预报方案；第三处理模块，对洪水预报方案中的对于不存在依赖关系的预报节点进行并行计算，从上游节点至下游节点层层递推完成全部对象的预报计算。

进一步，基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，包括：

根据高精度数字高程模型和河流水系基础数据构建流域内由小于设定阈值面积的流域、河段、节点组成洪水预报三元组；

根据用户需求，对流域、河段、节点进行筛选，利用大流域和小流域之间不变的产汇流关系重新组合成不同尺度的洪水预报三元组，得到河系洪水预报方案。

第三方面，本发明采取的技术方案为：一种存储一个或多个程序的计算机可读存储介质，所述一个或多个程序包括指令，所述指令当由计算设备执行时，使得所述计算设备执行上述方法中的任一方法。

第四方面，本发明采取的技术方案为：一种计算设备，其包括：一个或多个处理器、存储器及一个或多个程序，其中一个或多个程序存储在所述存储器中并被配置为所述一个或多个处理器执行，所述一个或多个程序包括用于执行上述方法中的任一方法的指令。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：

1、本发明可以对任何复杂流域水流网络中产水、汇水、输水、分水、调蓄水等行为进行模拟和预报，提升洪水预测预报能力。

2、本发明可以根据用户需求快速构建任一河系不同尺度的洪水预报方案，大幅提高方案制作效率。

附图说明

图1是本发明实施例中基于知识图谱的洪水预报方法流程图；

图2是本发明实施例中任意复杂水流网络的数字化映射示意图；

图3是本发明实施例中大清河新盖房以上流域洪水预报数字化映射图；

图4是本发明实施例中淮河息县以上流域洪水预报数字化映射图；

图5是本发明实施例中淮河息县以上流域的第一批洪水预报并行计算示意图；

图6是本发明实施例中淮河息县以上流域的第二批洪水预报并行计算示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本发明的一个实施例中，提供一种基于知识图谱的洪水预报方法。本实施例中，如图1所示，该方法包括以下步骤：

1）对复杂流域水流网络进行数字化映射，得到由点、线、面数字化映射组件构成的数字化映射图；

2）基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，以获取包含流域河段、节点之间上下游关系的不同尺度的洪水预报方案；

3）对洪水预报方案中的对于不存在依赖关系的预报节点进行并行计算，从上游节点至下游节点层层递推完成全部对象的预报计算。

上述步骤1）中，现实世界中的水流网络十分复杂，在开发洪水预报系统时需要对水流网络进行数字化映射，以便开展洪水预报作业。在开展大量前期调研基础上，结合实际工作经验，本发明设计点、线、面三大类6小类对象的数字化映射组件（见表1），并构建“洪水预报三元组”知识图谱，即采用一个起始对象、一个终止对象和一个有向河段来描述水流网络中两两对象之间的水流关系，表示水从起始对象经过链接河段流向终止对象，从而实现对自然流域内任意复杂水流网络的数字化映射，如图2、表1所示。

表1 水流网络数字化映射组件表

本实施例中，对复杂流域水流网络进行数字化映射，包括以下步骤：

1.1）将复杂流域中的水文站、干支流汇合点等映射为汇水点；

1.2）河流分叉点、河渠取水口等映射为分水点；

1.3）将只有一个出口的水库、湖泊等映射为调蓄汇水点；

1.4）将有两个及以上出口的水库、湖泊等映射为调蓄分水点；

1.5）将河道、渠道等映射为输水河段，并将产流单元映射为子流域。

具体的，如图3所示以海河大清河新盖房枢纽以上流域为例，给出了其洪水预报方案的数字化映射结果；如图4所示以淮河息县以上流域为例，给出了其洪水预报方案的数字化映射结果。

上述步骤2）中，基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，包括以下步骤：

2.1）根据高精度数字高程模型（DEM）和河流水系基础数据构建流域内由小于设定阈值面积的流域河段、节点组成的洪水预报三元组；

根据高精度DEM和设定阈值（例如设定阈值为25平方公里）将湖南捞刀河螺岭桥水文站（标记I）以上流域划分为由A、B、C、D、E、F、G、H、I共9个节点，AC、BC、DE、EF、CF、FH、GH、HI共8个河段以及8个子流域（1、2、3...8）组成的产汇流网络，其中共包含了16个洪水预报三元组，如表2所示。

表 2 16个洪水预报三元组

2.2）根据用户需求，对流域、河段、节点进行筛选，利用大流域和小流域之间不变的产汇流关系重新组合成不同尺度的洪水预报三元组，得到河系洪水预报方案，从而实现根据用户需求快速构建洪水预报方案。

其中，利用大流域和小流域之间不变的产汇流关系重新组合成不同尺度的洪水预报三元组，具体为：

根据用户需求确定关注的节点，并从洪水预报三元组中依次寻找流向关注的节点的子流域和其他节点，并确定是否还有节点或子流域流向该其他节点，若没有则终止，反之继续寻找。

例如，假如用户只关注C、F、I三个节点，则可以根据前述16个洪水预报三元组依次找出流向C、F、I的子流域：

（1）流向C的子流域对象为1、2和节点A、B，由于没有流入A、B的节点或者子流域，则找到这里为止，将搜索到的子流域1、2合并成子流域1；

（2）流向F的子流域为3、5和节点E、C，由于C是关注点，不再往上游追溯，流向E的为子流域4和节点D，同样由于没有流入D的节点或者子流域，则找到这里为止，将搜索到的子流域3、4、5合并成子流域2；

（3）流向I的为子流域8和节点H，流向H的为子流域6、7和节点G、F，F为关注点，不再往上游追溯，同样由于没有流入G的节点或者子流域，则找到这里为止，将搜索到的子流域6、7、8合并成子流域3。最后生成5个不同尺度的洪水预报三元组，如表3所示：

表 3 5个不同尺度的洪水预报三元组

本实施例中，由于在实际的洪水预报业务中，由于用户需求、站点报汛条件、水利工程变化等外部条件变化，需要动态调整洪水预报方案。本实施例采用洪水预报三元组，实现根据用户需求快速构建洪水预报方案。

上述步骤3）中，按照洪水预报三元组方式构建的洪水预报方案，本身已经包含了流域、河段、节点之间的上下游关系，从而可以清楚的知道哪些对象之间存在或者不存在依赖关系，因此可以采用并行计算的方法，对于不存在依赖关系的对象进行并行计算，从而提高计算效率。

本实施例中，对洪水预报方案中的对于不存在依赖关系的预报节点进行并行计算，包括以下步骤：

3.1）通过洪水预报三元组对预报节点进行上下游分析，逆向追溯分析得到不同节点之间的依赖关系，将没有依赖关系的节点归入能够并行计算的节点集合，即按照洪水预报三元组知识图谱的拓扑关系将计算节点分为上游节点和下游节点；

3.2）对所有没有依赖关系的上游节点进行并行计算，上游节点计算完成后，把计算完成的上游节点对应的三元组从列表中删除，重新分析剩下的三元组列表，得到新的没有依赖关系的上游节点纳入计算；这样层层递推，直到计算至流域出口，从而完成全部对象的预报计算。

如图5为淮河息县以上流域的洪水预报方案示意图，根据洪水预报三元组分析，可以得到大坡岭、石山口、南湾和竹竿铺四个节点为最上游节点，相互之间没有依赖关系，因此可以纳入第一批并行计算流程；这四个节点计算完成后，去掉形成如图6所示，这时候出山店、小龙山、平桥又成为最上游节点，纳入第二批并行计算流程；依此类推，只到计算至最后一个节点息县。

综上，将本发明与传统中国洪水预报系统进行对比，如表4、表5所示，方案构建时间从几小时缩短到几分钟，洪水预报作业时间从1-2小时缩短到半小时以内，大幅提高了洪水预报方案编制效率和洪水预报作业效率。

表4 预报方案构建时间对比表

表5 洪水预报作业时间对比表

在本发明的一个实施例中，提供一种基于知识图谱的洪水预报系统，其包括：

第一处理模块，对复杂流域水流网络进行数字化映射，得到由点、线、面数字化映射组件构成的数字化映射图；

第二处理模块，基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，以获取包含流域、河段、节点之间上下游关系的不同尺度的洪水预报方案；

第三处理模块，对洪水预报方案中的对于不存在依赖关系的预报节点进行并行计算，从上游节点至下游节点层层递推完成全部对象的预报计算。

上述实施例中，对复杂流域水流网络进行数字化映射，包括：

将复杂流域中的水文站、干支流汇合点映射为汇水点；

河流分叉点、河渠取水口映射为分水点；

将只有一个出口的水库、湖泊映射为调蓄汇水点；

将有两个及以上出口的水库、湖泊映射为调蓄分水点；

将河道、渠道映射为输水河段，并将产流单元映射为子流域。

上述实施例中，基于数字化映射图构建洪水预报三元组知识图谱，包括：

根据高精度数字高程模型和河流水系基础数据构建流域内由小于设定阈值面积的流域、河段、节点组成洪水预报三元组；

根据用户需求，对流域河段、节点进行筛选，利用大流域和小流域之间不变的产汇流关系重新组合成不同尺度的洪水预报三元组，得到河系洪水预报方案。

上述实施例中，构建的洪水预报方案中包含了流域河段、节点之间的上下游关系，以确定哪些对象之间存在或者不存在依赖关系。

上述实施例中，利用大流域和小流域之间不变的产汇流关系重新组合成不同尺度的洪水预报三元组，具体为：

根据用户需求确定关注的节点，并从洪水预报三元组中依次寻找流向关注的节点的子流域和其他节点，并确定是否还有节点或子流域流向该其他节点，若没有则终止，反之继续寻找。

上述实施例中，对洪水预报方案中的不存在依赖关系的预报节点进行并行计算，包括：

通过洪水预报三元组对预报节点进行上下游分析，逆向追溯分析得到不同节点之间的依赖关系，将没有依赖关系的节点归入能够并行计算的节点集合，将计算节点分为上游节点和下游节点；

对所有没有依赖关系的上游节点进行并行计算，上游节点计算完成后，把计算完成的上游节点对应的三元组从列表中删除，重新分析剩下的三元组列表，得到新的没有依赖关系的上游节点纳入计算；层层递推，直到计算至流域出口，完成全部对象的预报计算。

本实施例提供的系统是用于执行上述各方法实施例的，具体流程和详细内容请参照上述实施例，此处不再赘述。

在本发明一实施例中提供的计算设备结构，该计算设备可以是终端，其可以包括：处理器(processor)、通信接口(Communications Interface)、存储器(memory)、显示屏和输入装置。其中，处理器、通信接口、存储器通过通信总线完成相互间的通信。该处理器用于提供计算和控制能力。该存储器包括非易失性存储介质、内存储器，该非易失性存储介质存储有操作系统和计算机程序，该计算机程序被处理器执行时以实现上述方法；该内存储器为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该通信接口用于与外部的终端进行有线或无线方式的通信，无线方式可通过WIFI、管理商网络、NFC(近场通信)或其他技术实现。该显示屏可以是液晶显示屏或者电子墨水显示屏，该输入装置可以是显示屏上覆盖的触摸层，也可以是计算设备外壳上设置的按键、轨迹球或触控板，还可以是外接的键盘、触控板或鼠标等。处理器可以调用存储器中的逻辑指令。

此外，上述的存储器中的逻辑指令可以通过软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

在本发明的一个实施例中，提供一种计算机程序产品，所述计算机程序产品包括存储在非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序，所述计算机程序包括程序指令，当所述程序指令被计算机执行时，计算机能够执行上述各方法实施例所提供的方法。

在本发明的一个实施例中，提供一种非暂态计算机可读存储介质，该非暂态计算机可读存储介质存储服务器指令，该计算机指令使计算机执行上述各实施例提供的方法。

上述实施例提供的一种计算机可读存储介质，其实现原理和技术效果与上述方法实施例类似，在此不再赘述。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。